Выбор и обоснование основных параметров регенератора для локомотивного газотурбинного двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Лесников, Дмитрий Николаевич

• Лесников, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лесников, Дмитрий Николаевич

Введение

1. Анализ применения газотурбинного двигателя (ГТД) на подвижном составе

1.1. Сравнительный анализ, применение газотурбинных и дизельньрс двигателей на тяговом подвижном составе

1.2. Применение газотурбинных двигателей на железных дорогах мира

1.2.1. Швейцарский опыт применения ГТД

1.2.2. Английский опыт применения ГТД

1.2.3. Газотурбовозы в США

1.2.4. Отечественные газотурбовозы

1.2.5. Опыт применения ГТД во Франции

1.2.6. Применения ГТД в Канаде и США

1.2.7. Газотурбинная тяга в настоящее время

1.3. Выбор основных характеристик для регенератора

ГТД на маневровом газотурбовозе

1.3.1. Особенности регенераторов для газотурбинных установок

1.3.2. Особенности цикла газотурбинной установки с регенерацией теплоты

1.4. Постановка задачи исследования

2. Математическое моделирование рабочего процесса газотурбинной установки на режимах нагружения /64 2. 1. Требования к математической модели

2.2. Расчетная схема и основные допущения

2.3. Обобщенная блок-схема математической модели ГТД

2.4. Методика расчета расхода рабочего тела

2.5. Методика расчета параметров рабочего тела по элементам ГТД

2.5.1 Воздушный фильтр

2.5.2. Компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД)

2.5.3. Регенератор

2.5.4. Камера сгорания

2.5.5. Турбина

2.5.5.1. Сопловой аппарат

2.5.5.2. Турбинное колесо высокого давления

2.5.5.3. Турбинное колесо низкого давления

2.5.6. Программа регулирования ГТД

2.5.7. Расчет переходных процессов

3. Численное исследование работы ГТД с регенератором-теплообменником

3.1. Методика расчета регенератора-теплообменника газотурбинного двигателя для маневрового газотурбовоза

3.2. Анализ результатов расчета характеристик ГТД на стационарных режимах работы маневрового газотурбовоза

3.2.1. Адекватность математической модели рабочих процессов газотурбинного двигателя

3.2.2. Влияние параметров регенератора-теплообменника на стационарные режимы работы ГТД для маневрового газотурбовоза

3.3. Анализ результатов расчета характеристик в переходном режиме ГТД маневрового газотурбовоза

4. Экономическая эффективность применения газотурбовоза при маневровой работе

4.1. Расчёт эксплуатационных расходов для маневровых локомотивов

4.2. Условия работы локомотивов на сортировочной горке

4.3. Определение наибольшего расчётного веса состава

4.4. Определение продолжительности работы и расхода топлива при одиночном пробеге локомотивов под каждый состав

4.5. Определение расхода топлива при осаживании вагонов в подгорочном парке

4.6. Определение продолжительности работы и расхода топлива при расформировании состава на сортировочной горке

4.7. Определение суточного объёма работы выполненного локомотивом

4.8. Определение затрат на ремонт маневровых локомотивов

4.9. Годовые эксплуатационные расходы

4.10. Расчёт полезного экономического эффекта от внедрения газотурбовоза

4.11. Расчёт удельной стоимости жизненного цикла локомотивов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор и обоснование основных параметров регенератора для локомотивного газотурбинного двигателя»

Совершенствование автономной тяги во многом сдерживается тем, что дизельные силовые установки как источник энергии в своем развитии в значительной степени исчерпали возможности дальнейшего повышения технико-экономических характеристик, главные из которых экологическая эффективность, экономичность, весогабаритные показатели, надежность и трудоемкость обслуживания, способность работать на различных видах топлива, в том числе на природном газе [8, 9, 10, 14, 31, 34, 59].

Альтернативой дизельным силовым установкам могут служить газотурбинные двигатели, которые в современном исполнении по всем перечисленным показателям имеют определенные преимущества. Выбросы вредных веществ на единицу выработанной энергии уменьшаются в 10 — 15 раз, кпд может достигать 50 — 55 %, удельный вес ниже в 3 — 4 раза, нет ограничений в использовании жидких и газовых топлив [32, 36, 47, 71, 77].

Основные потери в газотурбинной установке - это потери теплоты с уходящими газами, которые составляют 60.70 %, а иногда и более процентов от подводимой с топливом энергии. В простой ГТУ газы, покидающие турбину, имеют высокую температуру. Это обстоятельство является основной причиной невысокой экономичности простых ГТУ. Поэтому экономичность ГТУ существенно повысится, если применить регенерацию теплоты [40, 45, 48, 50, 62, 70, 75].

Для получения высокого кпд газотурбинный двигатель должен быть оборудован регенератором-теплообменником. Установка регенератора-теплообменника ухудшает весогабаритные показатели и приемистость двигателя.

Известно, что регенератор-теплообменник существенно повышает кпд двигателя, требуется обеспечить переходной процесс за 20-25 секунд. Не ясно, можно ли обеспечить переходной процесс за заданное время, не теряя температуру стенок регенератора-теплообменника и его эффективность.

Цель работы. Целью диссертационной работы является определение возможности применения газотурбинных двигателей с регенератором-теплообменником в качестве силовой установки на маневровом подвижном составе.

Поставленные задачи решены с использованием методов математического моделирования, графо-аналитического и экспериментального исследования.

Основным методом теоретического исследования послужило математическое моделирование процессов в силовой установке газотурбовоза, в том числе в переходных режимах работы ГТД. Адекватность модели установлена численным совпадением ряда показателей работы двигателя в установившихся режимах, предоставленных разработчиками ФГУП «ММПП «Салют».

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: разработана методика расчета показателей работы регенератора-теплообменника в статических и переходных режимах; разработана математическая модель эксплуатационных режимов локомотивного газотурбинного двигателя с регенератором; математически описаны нестационарные процессы в компрессоре, турбине регенераторе; выявлена эффективность применения регенератора-теплообменника для локомотивных ГТД с учетом режимов работы и производительности при выбранных параметрах конструкции.

Разработаны рекомендации по выбору параметров регенератора-теплообменника для локомотивов, учитывающие режим и специфику работы подвижного состава

Результаты работы и ее отдельные положения докладывались на научной конференции молодых ученых и аспирантов по развитию железнодорожного транспорта в условиях реформирования (г.Щербинка 19 апреля 2006г.); на 69-ой Научно-технической конференции с международным участием «Подвижной состав и безопасность движения на транспорте» (г. Харьков 17-19 апреля 2007г.)

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Лесников, Дмитрий Николаевич

Заключение

1. В диссертации поставлена и решена задача применения регенератора-теплообменника на газотурбинном двигателе маневрового локомотива.

2. Установлено, что при выбранных параметрах регенератора-теплообменника маневровый газотурбовоз по основным техническим и технико-экономическим характеристикам (тяговые свойства, способность выполнения маневрового цикла, экологическая эффективность, эксплуатационные расходы на топливо и ремонт) превосходит локомотивы с дизельными двигателями.

3. Разработана методика расчета показателей работы регенератора-теплообменника в статических и переходных режимах, которая позволяет определить влияние поверхности и массы теплообменника на временные характеристики переходного процесса.

4. В результате использования разработанной автором методики определено, что на стационарных режимах при увеличении эффективной площади регенератора с 250 м" до 480 м~ кпд двигателя увеличивается на 6

14%, эффективность регенератора увеличивается на 5—9%, средняя температура стенки регенератора на частичных режимах работы понижается на 2 - 3 %.

5. В диссертации установлено, что в переходном режиме:

- с применением регенератора массой 171=800 кг и рабочей площадью Г=480м, регенератор-теплообменник полностью нагрелся за 60 с, количество тепла переданное стенкам регенератора достигло 46000 кДж;

- с регенератором-теплообменником т = 400 кг и Г = 250 м2 время нагрева регенератора-теплообменника составила 25 с, количество тепла — 23000 кДж;

- с регенератором-теплообменником ш = 400 кг и f=480м" время нагрева регенератора-теплообменника снизится до 35 с, количество тепла — 23000 кДж.

6. Разработана математическая модель газотурбинного двигателя с регенератором-теплообменником для расчета показателей работы газотурбинного двигателя на режимах характерных для локомотивов.

7. Расчеты выполненные с помощью разработанной автором математической модели на режимах характерных для маневровых локомотивов показали хорошую сходимость с результатами полученными от разработчиков ГТД с регенератором-теплообменником ФГУП «ММ1111 «Салют». Погрешность мощности и расхода составила 0,3 %, а остальные параметры не отклоняются более чем на 5 %.

8. Использование разработанной математической модели позволило установить, что ГТД с регенератором-теплообменником разработанный ФГУП «ММ1Ш «Салют» обеспечивает требования, предъявляемые к силовым установкам маневрового локомотива по приемистости 100 кВт/с.

9. Технико-экономические расчеты показывают, что для маневровой работы применение газотурбовозов экономически выгоднее, чем тепловозов. Это обусловлено их более высокой энергетической эффективностью и более низкой ценой газомоторного топлива. При применении локомотивов с газотурбинными двигателями стоимость жизненного цикла, отнесенная к единице выполненной работы, на 25 — 30% ниже, чем у тепловозов, что в масштабе отрасли может дать экономию около 3 млрд. руб. в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лесников, Дмитрий Николаевич, 2008 год

1. Азаренко В.А., Кудрявцев Я.Б., Заручейский A.B., Корнев А.Н., Ляшенко

2. A.C. ФГУП ВНИИЖТ «Технико-экономическая оценка создания автономного подвижного состава с альтернативными силовыми установками» Москва, 2000 г.

3. Арсеньев Л.В. Организация приемистости транспортных газотурбинныхдвигателей. «Энергомашиностроение», 1968.

4. Байков Б.П., Бордуков В.Г. Турбокомпрессоры для наддува дизелей.

5. Справочное пособие. Л., «Машиностроение» 1975. 100 с.

6. Байков Б.П., Бордуков В.Г., Иванов В.П. Турбокомпрессоры для наддувадизелей. Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1983, №8.

7. Барский И.А. Изменение температуры рабочих лопаток газовой турбинына неустановившихся режимах. «Автомобильная промышленность», 1965, №4.

8. Бартош Е.Т. Газотурбовозы и турбопоезда. М.: «Транспорт», 1978. 311 с.

9. Белоконь Н.И. Газотурбинные локомотивы. Журнал «Железнодорожныйтранспорт» №4, 1955.

10. Большая энциклопедия транспорта: В 8 т. Т. 4. Железнодорожныйтранспорт / Гл. ред. Н.С. Конарев. М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. - 1039 с.

11. Володин А.И., Зюбанов В.З., Кузьмич В.Д. и др. Локомотивныеэнергетические установки: Учебник для вузов ж.-д. трансп. Под ред. А.И. Володина. М.: ИПК "Желдориздат", 2002. - 718 с.

12. Володин А. И. "Локомотивные двигатели внутреннего сгорания" Изд. 2-е перераб. и доп., М.: Транспорт, 1990 г., 256 с.

13. Воронков Л.А. Отечественные газотурбовозы. М., «Машиностроение», 1971.

14. Воронов A.A. Элементы теории автоматического регулирования. М. Оборонгиз, 1954.

15. Газотурбовоз Jetrain. International Railway Journal, 2001, № 1, С. 37.

16. Глаголев Н.М. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Транспорт, 1973.

17. Глаголев Н.М., Куриц A.A., Водолажченко В.В., Бартош Е.Т. Тепловозные двигатели и газовые турбины. Трансжелдориздат, 1957.

18. Гончар Б.М., Матвеев В.В. Методика численного моделирования переходных процессов дизелей. Труды ЦНИДИ, вып 68, Л.: 1975.

19. Громов С.А., Шевченко Л.А. Газотурбовоз с электрической передачей переменного тока. «Электрическая и тепловозная тяга», №11, 1962 г.

20. Гуковский Г.Е. Исследование параметров и эксплуатационных характеристик пассажирского газотурбинного подвижного состава. М., 1977.

21. Деймич М. Е., Самойлович Г.С. Основы аэродинамики осевых турбомашин. М., Машгиз, 1959.

22. Деймич М.Е., Трояновский Б.М. Исследование и расчеты ступеней осевых турбин. М., «Машиностроение», 1964.

23. Ермольчик В.Н., Котляр И.В. Аналитические методы исследования динамических свойств однокомпрессорных схем ГТУ. «Труды Калининградского технического института», 1966.

24. Ершов В.Н. Неустойчивые режимы турбомашин. М., Машиностроение» 1966. 108 с.

25. Зальф Г.А. Тепловой расчет стационарных газовых турбин. Л., «Машиностроение», 1964. 308 с.

26. Зотиков Г.И. Методика расчета судовых ГТУ при частичных нагрузках. Л., Судпромгиз, 1958.

27. Иващенко H.A., Горбунова H.A. Методика и результаты математической оптимизации рабочего процесса тепловозного дизеля / Двигателестроение. Л.: Машиностроение, 1989, №5.

28. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1992 г. 672 с.

29. Кириллов И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки. М., Т. 1, Машгиз, 1956.

30. Кириллов И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки. М., Т. 2, Машгиз., 1956.

31. Кириллов И.И. Теория турбомашин. / М. — JI., «Машиностроение», 1964.

32. Кириллов И.И. Автоматическое регулирование паровых и газовых турбин. М., Машгиз, 1961.

33. Коссов B.C., Нестеров Э.И. Газотурбинная тяга: история и перспективы. / "Локомотив", №3, 2005. С. 39-41; №4, 2005. С. 37-40; №5, 2005. С. 37-40.

34. Коссов М.А. Автомобильные газотурбинные двигатели. М., Машгиз, 1964.

35. Коссов Е.Е. Перспективы применения газотурбинных установок с использованием альтернативных топлив на железнодорожном транспорте/ " Конверсия в машиностроении ", № 1, 2001. С. 43-46.

36. Коссов Е.Е., Сухопаров С.И. Оптимизация режимов работы тепловозных дизель-генераторов. М.: Интекст, 1999.

37. Коссов Е.Е. Маневровый газотурбовоз. «Железнодорожный транспорт: наука и практика» / 2007 г., с. 18 19.

38. Коссов Е.Е., Лесников Д.Н. «Моделирование эксплуатационных режимов локомотивного газотурбинного двигателя с регенератором» // «Железнодорожный транспорт: Наука и практика» / 2007 г. С. 22-23.

39. Коссов Е.Е., Лесников Д.Н. «Моделирование режимов работы регенератора в локомотивном газотурбинном двигателе» // Вестник ВНИИЖТ. 2007г. №4. С.35-36.

40. Костин А. К., Ларионов В. В., Михайлов Л. И. и др. "Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания" Справочное пособие, Л.: Машиностроение, 1979 г., 222 с.

41. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки: Учеб. пособие для вузов.-М.: Высш. школа, 1979.

42. Котляр И.В. Переменный режим работы газотурбинных установок. Москва Киев, Машгиз, 1961.

43. Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. Л., «Судостроение», 1966.

44. Котляр И.В., Ермольчик В.Н. Расчет изменения параметров регенератора при неустановившихся режимах работы ГТУ. — «Теплоэнергетика», 1968. №8, с.65 67.

45. Котляр И.В., Селин В.В. Расчет переходных режимов судовых ГТУ. -«Труды Калининградского технического института». 1963, вып. 18.

46. Котляр И.В. Переходные процессы в газотурбинных установках. «Машиностроение» Ленинград, 1973г. 256 с.

47. Кривов В.Г., Синатов С.А., Орлов А.Н. Улучшение качества переходных процессов в дизелях с газотурбинным наддувом путем утилизации их отходящей теплоты. — Двигателестроение. Л.: Машиностроение, 1983, № 8.

48. Курзон А.Г. Газотурбинные установки морских судов. Л., «Транспорт», 1967.

49. Курзон А.Г. Теория судовых паровых и газовых турбин. Л., «Транспорт», 1967.

50. Куценко A.C. Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ. Киев: Наукова думка, 1988.

51. Кэйс В.М., Лондон A.JL Компактные теплообменники. JL: «Государственное энергетическое издательство». 1962 г.

52. Лапытов Р.Ш. Вопросы рациональной эксплуатации газотурбинных установок. Учебное пособие./ УФА: УГНТУ, 2000 100 с.

53. Лесников Д.Н. "Способы повышения тяговой мощности в электрической передаче газотурбовоза" // «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Обзорная информация ЦНИИТЭИ. 2006 г. №2-3.

54. Лесников Д.Н. "Варианты тяговой цепи маневрового газотурбовоза с накопителями энергии"// Развитие железнодорожного транспорта в условиях реформирования: Сб. научн. тр./Под ред. Ю.М. Черкашина, Г.В. Гогриничани. М.: Интекст, 2006. С.68-74.

55. Лесников Д.Н., Батцерэн О., Гавриков С.Г. "Применение газотурбинных двигателей на железных дорогах мира" // Естественные и технические науки. 2006 г. №3. С. 242-245.

56. Листвин А.Г. Влияние разделенного подвода газа на кпд осевой турбины. Двигателестроение. Л.: Машиностроение, 1988, №3.

57. Люлько Г.Б. Улучшение приемистости газотурбинной установки путем воздействия на поток воздуха. — «Изв. вузов. Энергетика», 1969, №9.

58. Марков Н.М. Теория и расчет лопаточного аппарата осевых турбомашин. Л.: «Машиностроение», 1966.

59. Матвеев Г.А., Камнев Г.Ф., Марков Н.М., Елизаров B.C. / Аэродинамика проточной части судовых турбин. Л.: «Судпромгиз» 1961.

60. Нестрахов A.C., Балычева. H.A. "Энергетика железнодорожного транспорта", сборник трудов "Совершенствование транспортной энергетики", М.: Наука, 1988 г., 44-69 с.

61. Николаев И.И. Газотурбовозы. М., «Трансжелдориздат», 1955.

62. Николаев Ю.П. Расчет и моделирование произвольных и оптимальных переходных режимов газотурбинных двигателей. «Изв. АН СССР. Энергетика и автоматика», 1961.

63. Ольховский Г.Г., Стариченко В.Д. Применение газотурбинных установок в крупной энергетике. М., БТИ ОРГРЭС, 1964.

64. Патрахальцев H.H., Соколов .Ю.А. Неустановившиеся режимы работы дизелей. — Двигатели внутреннего сгорания (НИИИНФОРМТЯЖМАШ), М., 1976 г.

65. Певзнер A.M. Расчет динамических характеристик судовой ГТУ. -«Труды ЦНИИМФ», 1969, вып. 111.

66. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985 г., 287 с.

67. Ребров Б.В. Судовые газотурбинные установки. Д., Судпромгиз, 1961.

68. Результаты исследований газотурбовоза Г1-01 и локомотивных газотурбинных двигателей. / под редакцией Е.Т. Бартоша, М., «Транспорт» 1964.

69. Софронов А.Ф., Тихонов A.M. Исследование характеристик пластинчатых поверхностей нагрева. «Теплотехника» / №9, 1970.

70. Сухопаров С.И. Повышение эффективности работы тепловозных дизелей корректированием нагрузки в переходных процессах. Дис.канд. тех. наук. М., 1988. 225 с.

71. Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки. М., «Высшая школа», 1970.

72. Уваров В.В., Бекнев B.C., Грязнов Н.Д. Локомотивные газотурбинные установки. М., Машгиз., 1962.

73. Тельнов К.А. Уравнение динамики противоточного регенератора ГТУ. — «Энергомашиностроение», 1968. №8.

74. Трубилов М.А., Арсеньев Г.В., Фролов В.В. и др. Паровые и газовые турбины: Учебник для вузов / Под. ред. А.Д. Костюка, В.В.Фролова. М.: Энергоатомиздат, 1986.

75. Турбины тепловых и автономных электрических станций. / под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. — М.: Издательство МЭИ, 2001.

76. Хазен М.М. Локомотивные газотурбинные установки. М., «Трансжелдориздат» 1960.

77. Шароваров Г.А. Метод расчета переходных процессов ГТУ при больших изменениях режимов. «Судостроение», 1969, №1.

78. Шнеэ Я.И. Газовые турбины. / М., Машгиз, 1960.

79. Швец И.Т., Федоров В.И., Марценюк З.А. Анализ переходных процессов в двухвальной ГТУ. — «Изв. вузов. Машиностроении», 1963, №9.

80. Яблоник P.M. Газотурбинные установки, М.: Машгиз, 1959.

81. ГОСТ 4.433-86. Установки газотурбинные стационарные. Номенклатура показателей.

82. J. Ipsen. Автономная тяга для скоростных пассажирских сообщений. Railway Gazette International, 2000, № 4, С. 235- 237.